Χαρακτηρισμός και έλεγχος υπερ-υψίσυχνων τρεχόντων ακουστικών κυμάτων σε κρυσταλλικά στερεά με την χρήση ταχείας φασικής απεικόνισης με ns λέιζερ

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Εμμανουήλ Κανιολάκης Καλούδης, Κωνσταντίνος Καλέρης, Ευάγγελος Κασελούρης, Ιωάννης Ορφανός, Μάκης Μπακαρέζος, Βασίλειος Δημητρίου, Μιχαήλ Ταταράκης, Νεκτάριος Παπαδογιάννης

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται μέθοδοι και αποτελέσματα χαρακτηρισμού και απεικόνισης τρεχόντων ακουστικών κυμάτων μέσα σε κρυστάλλους. Για τον ακριβή ποσοτικό και ποιοτικό χαρακτηρισμό και έλεγχο της έντασης, της συχνότητας και της χωρικής κατανομής των τρέχοντων ακουστικών κυμάτων απαραίτητη προϋπόθεση είναι η απεικόνιση τους με υψηλή ευκρίνεια και ταχύτητα, προκειμένου να αποτυπώνονται στατικά. Για τον σκοπό αυτό κατάλληλες μέθοδοι οπτικής απεικόνισης αποτελούν η συμβολομετρία λέιζερ και η φασική απεικόνιση. Στη συμβολομετρία, πχ. με χρήση συμβολόμετρου Mach-Zehnder, η χωρική κατανομή των ακουστικών κυμάτων απεικονίζεται μέσω της διαφοράς φάσης που αποκτά το φως όταν διασχίζει περιοχές του κρυστάλλου με διαφορετικό δείκτη διάθλασης. Πιο συγκεκριμένα, η αρχικά ομοιογενής πυκνότητα του κρυστάλλου διαμορφώνεται δυναμικά από τα τρέχοντα ακουστικά κύματα, τα οποία μετατοπίζουν τα κρυσταλλικά επίπεδα και δημιουργούν περιοχές υψηλής και χαμηλής χωρικής πυκνότητας στη διεύθυνση διάδοσης τους. Η φασική ανομοιογένεια της φωτεινής δέσμης που διέρχεται από τον κρύσταλλο (probe beam-δέσμη ελέγχου) προκαλεί παραμόρφωση των κροσσών συμβολής, η οποία με κατάλληλη επεξεργασία μας δίνει πληροφορία για την αλλαγή του δείκτη διάθλασης λόγω των ακουστικά διαμορφωμένων κρυσταλλικών επιπέδων. Η μέθοδος έχει ικανοποιητική διακριτική ικανότητα (της τάξης των μερικών nm) αλλά παρουσιάζει σχετικά υψηλή πολυπλοκότητα ως προς την βελτιστοποίησή της. Η οπτική φασική απεικόνιση είναι εναλλακτική μέθοδος απεικόνισης ανομοιογενειών στον δείκτη διάθλασης υλικών, η οποία βρίσκει εφαρμογή μεταξύ άλλων στην απεικόνιση ακουστικών κυμάτων. Η μέθοδος βασίζεται στην εκτροπή του φωτός λόγω της περιοδικής διαμόρφωσης του δείκτη διάθλασης κάθετα στην διάδοση της δοκιμαστικής οπτικής δέσμης, όπως περιεγράφηκε προηγουμένως. Όταν, η οπτική δέσμη διαδίδεται διαμέσου του κρυστάλλου, η κλίση του δείκτη διάθλασής αναγκάζει το φως να εκτραπεί λόγω του φαινομένου της διάθλασης. Η εκτροπή αυτή απεικονίζεται ως ανομοιομορφία στην κατανομή της έντασης του φωτός πάνω στην οθόνη μιας κάμερας υψηλής ευκρίνειας. Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι επιτρέπει την ανίχνευση ακουστικών κυμάτων με υψηλή διακριτική ικανότητα, της τάξης των nm, με χρήση σχετικά απλών πειραματικών διατάξεων. Εδώ παρουσιάζονται αποτελέσματα από την ανίχνευση και απεικόνιση ακουστικών κυμάτων σε κρυστάλλους χαλαζία (Quartz) με την μέθοδο οπτικής απεικόνισής φάσης αλλά και με συμβολομετρία Mach-Zender. Διαμήκη ημιτονοειδή ακουστικά κύματα παράγονται από ειδικά κατασκευασμένους πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς σε εύρος συχνοτήτων από 20 έως 60 MHz. Τα κύματα ταξιδεύουν μέσα στον κρύσταλλο χαλαζία (Quartz) με ταχύτητα 5570 m/s διαμορφώνοντας δυναμικά τα κρυσταλλικά επίπεδα. Ένα παλμικό σύστημα λέιζερ Nd:YAG, με παλμούς διάρκειας 6 ns και κεντρικό μήκος κύματος στα 1064 nm, χρησιμοποιείται για την απεικόνιση των τρέχοντων ακουστικών κυμάτων. Η χρήση παλμικού λέιζερ επιτρέπει την στατική απεικόνιση των τρεχόντων ακουστικών κυμάτων, καθώς στην διάρκεια των 6ns που διαρκεί ο κάθε παλμός το κύμα έχει ταξιδέψει μέσα στο Quartz 33μm που είναι αρκετά μικρότερο από το μήκος κύματος των τρεχόντων κυμάτων. Για την περίπτωση της ταχείας φασικής απεικόνισης παρουσιάζεται, επίσης υπολογιστικό μοντέλο που επιτρέπει την ποσοτικοποίηση διαφόρων χαρακτηριστικών των ακουστικών κυμάτων, όπως η ακουστική πίεση και η γωνία εκτροπής του φωτός. Απώτερος σκοπός της βελτιστοποίησης του χαρακτηρισμού των ακουστικά διαμορφωμένων κρυστάλλων είναι η χρήση τους σε διάφορα επιστημονικά πεδία, όπως στις φυσικές επιστήμες και η ιατρική. Επίσης, προτείνονται ως πηγές ακτίνων γ με ενέργεια MeV με εξαιρετική απόδοση και χαμηλό κόστος. Συνεπώς, η ικανότητα αποτελεσματικού χαρακτηρισμού τους είναι απαραίτητη προϋπόθεση για οποιαδήποτε περαιτέρω πρόοδο στην ανάπτυξη των εφαρμογών τους.